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Modélisation actionneur piézoélectrique

Transports et microélectronique

La modélisation d’un actionneur piézoélectrique utilise la simulation électrostatique et mécanique pour effectuer l’analyse modale de l’actionneur. Associée à l’analyse d’impédance, par une simulation dynamique, elle permet de déterminer le meilleur mode de fonctionnent du système en vibration et aide à optimiser les choix de conception et de matériau.

Objectifs de la modélisation d’actionneur piézoélectrique

Les actionneurs piézoélectriques existent dans de nombreuses industries et produits du quotidien. Imprimantes jet d’encre, nébuliseurs utilisés pour la désinfection et décontamination, micromoteurs pour les équipements automobiles ou l’électronique. Ils ont l’avantage d’être très robustes et peu consommateurs d’énergie.

L’optimisation de la forme de ces actionneurs et de la céramique piézoélectrique utilisée pour créer les vibrations mécaniques reste un enjeu de réduction des coûts de fabrication et améliore le cycle de vie de ces dispositifs.

Les céramiques piézoélectriques sont des matériaux multiphysiques par nature. Ils créent un champ électrostatique lorsque soumis à une force externe, et inversement se déforment sous l’action d’un courant électrique. Ainsi, la modélisation des actionneurs avec composant piézoélectrique par la simulation multiphysique de ces phénomènes contribue grandement à choisir la configuration la plus juste, du premier coup.

Résultat de la modélisation et informations obtenues

La simulation se fait sous forme de deux analyses :

Analyse modale de l’actionneur piézoélectrique

Une analyse modale permet d’identifier les modes de résonance du dispositif actionneur et le coefficient de couplage électromécanique (CCEM) le plus favorable. Suivant le fonctionnement attendu de l’actionneur (en flexion, cisaillement, traction), plusieurs modes avec un CCEM élevé existent sur l’espace de fréquences exploitable de la céramique piézoélectrique. Un CCEM élevé indique une meilleure conversion d’énergie électrique / mécanique du système et l’analyse modale aide à rapidement focaliser sur quelques fréquences d’utilisation qui auront le meilleur rendement.

Analyse d’impédance en fréquentiel

Ensuite, une analyse d’impédance confirme ou non les résultats de l’analyse modale, et aide à quantifier les déplacements et contraintes dans l’actionneur pour les modes d’intérêt. Elle vient dans un second temps car elle peut être beaucoup plus longue à mettre en place d’un point de vue numérique (temps et puissance de calcul), en fonction des fréqences étudiées.

Analyse modale | Calcul du CCEM

L’image montre, en gris, la céramique piézoélectrique soumise à un courant électrique. En se déformant, celle-ci actionne la structure en acier inox collée sur ses deux bouts. Elle la met en vibration.
On visualise la déformée de la structure inox en couleurs, sur un mode de résonance en flexion. Les lignes noires montrent la structure non déformée.

On identifie ce mode à une fréquence de 4.4 kHz et un CCEM de 32 %. Si sa déformée correspond au déplacement attendu pour remplir sa fonction (par exemple l’action de comprimer de l’encre dans un toner d’imprimante), alors on pourra la quantifier en analyse harmonique fréquentielle et optimiser le design de la structure autour de ce mode.

Analyse d'impédance et des déplacements

Ce graphique de l’admittance du système aide à confirmer les résultats de l’analyse modale et l’identification des modes de résonance avec un bon rendement.

C’est aussi par ce type d’analyse harmonique fréquentielle que l’on peut étudier les déplacements et les contraintes dans le dispositif d’actionneur piézoélectrique.

Ainsi, l’on peut décider, grâce à cette simulation multiphysique, quelle conception lancer en fabrication. Mais aussi, c’est important, quel choix de céramique effectuer.

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